Солнечное топливо — Solar fuel
Солнечное топливо представляет собой синтетическое химическое топливо получают из солнечной энергии. Солнечное топливо можно производить с помощью фотохимических (то есть активации определенных химических реакций фотонами ), фотобиологических (то есть искусственного фотосинтеза ), термохимических (то есть с помощью солнечного тепла, поставляемого концентрированной солнечной тепловой энергией для запуска химической реакции) и электрохимические реакции (т. е. использование электричества от солнечных батарей для запуска химической реакции ). Свет используются в качестве источника энергии , с солнечной энергией , будучи трансдуцированным к химической энергии , как правило , за счетом снижения протонов до водорода , или диоксида углерода в органические соединения .
Солнечное топливо можно производить и хранить для дальнейшего использования, когда солнечный свет недоступен, что делает его альтернативой ископаемому топливу и батареям. Примерами такого топлива являются водород, аммиак и гидразин. Разрабатываются разнообразные фотокатализаторы , чтобы проводить эти реакции экологически безопасным способом.
СОДЕРЖАНИЕ
Обзор
Зависимость мира от сокращающихся запасов ископаемого топлива создает не только экологические, но и геополитические проблемы . Солнечное топливо, в частности водород, рассматривается как альтернативный источник энергии для замены ископаемого топлива, особенно там, где важно хранение. Электричество можно производить непосредственно из солнечного света с помощью фотоэлектрических элементов , но этот вид энергии довольно неэффективен для хранения по сравнению с водородом. Солнечное топливо можно производить, когда и где есть солнечный свет, хранить и транспортировать для дальнейшего использования. Это делает его намного удобнее, потому что его можно использовать в ситуациях, когда прямые солнечные лучи недоступны.
Наиболее широко исследуемым солнечным топливом является водород, потому что единственным продуктом использования этого топлива является вода и продукты фотохимического восстановления диоксида углерода , которые представляют собой более традиционные виды топлива, такие как метан и пропан. Предстоящие исследования также включают аммиак и родственные ему вещества (например, гидразин). Они могут решить проблемы, связанные с водородом, поскольку являются более компактным и безопасным способом хранения водорода. Также исследуются топливные элементы с прямым аммиаком.
Солнечное топливо может производиться прямым или косвенным способом. Прямые процессы используют энергию солнечного света для производства топлива без промежуточного преобразования энергии. Напротив, в непрямых процессах солнечная энергия сначала преобразуется в другую форму энергии (например, биомассу или электричество), которая затем может быть использована для производства топлива. Косвенные процессы было проще реализовать, но их недостатком является то, что они менее эффективны, чем прямой метод. Поэтому прямые методы следует считать более интересными, чем их менее эффективные аналоги. Поэтому в новых исследованиях больше внимания уделяется этому прямому преобразованию, но также и топливам, которые можно сразу использовать для балансировки энергосистемы.
Производство водорода
Фотоэлектрохимический
В солнечном фотоэлектрохимическом процессе водород можно получить путем электролиза . Чтобы использовать солнечный свет в этом процессе, можно использовать фотоэлектрохимический элемент , в котором один фотосенсибилизированный электрод преобразует свет в электрический ток, который затем используется для расщепления воды . Одним из таких типов элементов является сенсибилизированный красителем солнечный элемент . Это косвенный процесс, поскольку он производит электричество, которое затем используется для образования водорода. Другой косвенный процесс с использованием солнечного света — это преобразование биомассы в биотопливо с помощью фотосинтезирующих организмов ; однако большая часть энергии, собираемой при фотосинтезе , используется в процессах поддержания жизни и, следовательно, теряется для использования энергии.
Полупроводника может быть также использован в качестве фотосенсибилизатора. Когда на полупроводник попадает фотон с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны , электрон возбуждается в валентную зону, и в зоне проводимости создается дырка. Из-за изгиба зон электроны и дырки перемещаются к поверхности, где эти заряды используются для расщепления молекул воды. Было протестировано множество различных материалов, но ни один из них пока не показал требований для практического применения.
Фотохимический
В фотохимическом процессе солнечный свет используется для расщепления воды на водород и кислород. Поскольку спектр поглощения воды не перекрывается со спектром излучения солнца, прямая диссоциация воды невозможна, поэтому необходимо использовать фотосенсибилизатор. Несколько таких катализаторов были разработаны в качестве доказательства концепции , но еще не масштабированы для коммерческого использования; тем не менее, их относительная простота дает преимущество в виде потенциальной более низкой стоимости и повышения эффективности преобразования энергии. Одним из таких доказательств концепции является «искусственный лист», разработанный Nocera и соавторами: комбинация катализаторов на основе оксидов металлов и полупроводниковых солнечных элементов производит водород при освещении, причем кислород является единственным побочным продуктом.
Фотобиологический
В фотобиологическом процессе водород производится фотосинтезирующими микроорганизмами (зелеными микроводорослями и цианобактериями ) в фотобиореакторах . Некоторые из этих организмов производят водород при изменении условий культивирования ; например, Chlamydomonas reinhardtii производит водород анаэробно при недостатке серы , то есть когда клетки перемещаются из одной среды для выращивания в другую, не содержащую серу, и растут без доступа к атмосферному кислороду. Другой подход заключается в отмене активности водородно-окисляющих (поглощение) гидрогеназа фермент в diazotrophic цианобактерии Nostoc punctiforme , так что она не будет потреблять водород , который , естественно , производимый нитрогеназный фермент в азотфиксирующих условиях. Этот мутант N. punctiforme мог затем производить водород при освещении видимым светом .
Другой мутант цианобактерий , Synechocystis , использует гены бактерии Rubrivivax gelatinosus CBS для производства водорода. Бактерии CBS производят водород за счет окисления окиси углерода. Исследователи работают над внедрением этих генов в Synerchocystis. Если эти гены могут быть применены, потребуются некоторые усилия, чтобы преодолеть проблемы ингибирования кислорода при производстве водорода, но, по оценкам, этот процесс потенциально может дать до 10% захвата солнечной энергии. Это делает фотобиологические исследования очень интересной и многообещающей отраслью исследований по производству водорода. Тем не менее, проблем преодоления краткосрочного характера производства водорода водорослями много, и исследования находятся в начальной стадии. Однако это исследование обеспечивает жизнеспособный способ индустриализации этих возобновляемых и экологически безопасных процессов.
Термохимический
В солнечном термохимическом процессе вода расщепляется на водород и кислород с использованием прямого солнечного тепла, а не электричества, внутри высокотемпературного солнечного реактора, который получает высококонцентрированный солнечный поток от солнечного поля гелиостатов, которые фокусируют высококонцентрированный солнечный свет в реактор.
Двумя наиболее многообещающими маршрутами являются двухступенчатый цикл оксида церия и гибридный цикл хлора меди . Для цикла оксида церия первым шагом является превращение CeO 3 в Ce 2 O 3 при температуре более 1400 ° C. После стадии термического восстановления для восстановления оксида металла водород получают путем гидролиза при температуре около 800 ° C. Цикл хлорида меди требует более низкой температуры (
500 ° C), что делает этот процесс более эффективным, но цикл содержит больше этапов и также является более сложным, чем цикл оксида церия.
Поскольку производство водорода требует непрерывной работы, термохимический процесс на солнечной энергии включает аккумулирование тепловой энергии . Другой термохимический метод использует солнечное преобразование метана, процесс, который воспроизводит традиционный процесс преобразования ископаемого топлива, но заменяет солнечное тепло.
Снижение углекислого газа
Двуокись углерода (CO 2 ) может быть восстановлена до окиси углерода (CO) и других более восстановленных соединений, таких как метан , с использованием соответствующих фотокатализаторов. Одним из первых примеров было использование хлорида трис (бипиридина) рутения (II) (Ru (bipy) 3 Cl 2 ) и хлорида кобальта (CoCl 2 ) для восстановления CO 2 до CO. В последние годы было обнаружено множество новых катализаторов, снижающих CO 2 в CO, после чего CO можно было бы использовать для производства углеводородов, например, с использованием процесса Фишера-Тропша . Наиболее многообещающей системой для снижения CO 2 является комбинация фотоэлектрического элемента с электрохимическим элементом (PV + EC). Для фотоэлемента высокоэффективная GaInP / GaAs / Ge солнечных элементов используется. В настоящее время наиболее эффективной электрохимической ячейкой является проточная ячейка с газодиффузионным электродом (GED). В котором CO 2 реагирует на наночастицы Ag с образованием CO. Достигнута эффективность преобразования солнечной энергии в CO до 19% с минимальной потерей активности через 20 часов.
CO можно также получить без катализатора, используя диссоциацию CO 2, управляемую микроволновой плазмой . Этот процесс относительно эффективен, с коэффициентом преобразования электричества в CO до 50%, но с низким преобразованием около 10%. Эти низкие конверсии не идеальны, потому что CO и CO 2 трудно эффективно разделить в больших масштабах. Большим преимуществом этого процесса является то, что его можно включать и выключать довольно быстро, и при этом не используются дефицитные материалы. (Слабоионизированная) плазма создается с помощью микроволн , эти микроволны могут ускорять свободные электроны в плазме. Эти электроны взаимодействуют с CO 2, который колебательно возбуждает CO 2 , что приводит к диссоциации CO 2 в CO. Возбуждение и диссоциация происходят достаточно быстро, так что лишь небольшая часть энергии преобразуется в тепло, что поддерживает высокий КПД. . При диссоциации также образуется кислородный радикал , который реагирует с CO 2 на CO и O 2 .
Также в этом случае было исследовано использование микроорганизмов. Используя методы генной инженерии и синтетической биологии , в фотосинтезирующие организмы можно ввести части или целые метаболические пути, производящие биотопливо . Одним из примеров является производство 1-бутанола в Synechococcus elongatus с использованием ферментов из Clostridium acetobutylicum , Escherichia coli и Treponema denticola . Одним из примеров крупномасштабного исследовательского центра, изучающего этот вид производства биотоплива, является AlgaePARC в Университете и исследовательском центре Вагенингена , Нидерланды .
Производство аммиака и гидразина
Богатые водородом вещества, такие как аммиак и гидразин , отлично подходят для хранения водорода. Это связано с их плотностью энергии, для аммиака по крайней мере в 1,3 раза больше, чем для жидкого водорода. Гидразин почти в два раза плотнее по энергии по сравнению с жидким водородом, однако недостатком является то, что при использовании топливных элементов с прямым гидразином требуется разбавление, что снижает общую мощность, которую можно получить от этого топливного элемента. Помимо высокой объемной плотности, аммиак и водный гидразин обладают низкой воспламеняемостью, что делает их лучше, чем водород, за счет снижения затрат на хранение и транспортировку.
Аммиак
Именно по этой причине исследуются топливные элементы с прямым аммиаком, и в новых исследованиях был представлен новый интегрированный синтез аммиака и топливный элемент на основе солнечной энергии. Солнечная база является результатом избыточной солнечной энергии, которая используется для синтеза аммиака. Это достигается за счет использования аммиачного электролитического элемента (AEC) в сочетании с топливным элементом с протонообменной мембраной (PEM). Когда происходит падение солнечной энергии, срабатывает аммиачный топливный элемент, обеспечивающий недостающую энергию. Это недавнее исследование (2020) является ярким примером эффективного использования энергии, которое в основном достигается за счет временного хранения и использования аммиака в качестве топлива. Хранение энергии в аммиаке не ухудшается со временем, как в случае с батареями и маховиками . Это обеспечивает долгосрочное хранение энергии. У этой компактной формы энергии есть дополнительное преимущество, заключающееся в том, что избыточная энергия может легко передаваться в другие места. Это нужно делать с высокими мерами безопасности из-за токсичности аммиака для человека. Необходимо провести дальнейшие исследования, чтобы дополнить эту систему ветроэнергетическими и гидроэлектростанциями, чтобы создать гибридную систему для ограничения перебоев в электроснабжении. Необходимо также изучить экономические показатели предлагаемой системы. Некоторые ученые представляют себе новую экономику аммиака, которая почти такая же, как в нефтяной промышленности, но с огромным преимуществом неисчерпаемой безуглеродной энергии. Этот так называемый зеленый аммиак считается потенциальным топливом для сверхбольших кораблей. Южнокорейская судостроительная компания DSME планирует коммерциализировать эти корабли к 2025 году.
Гидразин
Другой способ хранения энергии — использование гидразина. Эта молекула связана с аммиаком и потенциально может быть так же полезна, как и аммиак. Его можно получить из аммиака и перекиси водорода или путем окисления на основе хлора . Это делает его еще более плотным, сохраняющим энергию топливом. Обратной стороной гидразина является то, что он очень токсичен и очень бурно реагирует с кислородом. Это делает его идеальным топливом для областей с низким содержанием кислорода, таких как космос. Недавно запущенные спутники Iridium NEXT используют гидразин в качестве источника энергии. Несмотря на то, что это топливо токсично, оно имеет большой потенциал, поскольку меры безопасности можно усилить в достаточной степени, чтобы безопасно транспортировать и преобразовывать гидразин обратно в водород и аммиак. Исследователи обнаружили способ разложения гидразина с помощью системы фотокатализа, которая работает во всей видимой области света. Это означает, что солнечный свет можно использовать не только для производства гидразина, но и для производства водорода из этого топлива. Разложение гидразина осуществляется с помощью бислоя pn, состоящего из фуллерена (C 60 ), также известного как «мячики», который представляет собой полупроводник n-типа, и фталоцианина цинка (ZnPc), который представляет собой полупроводник p-типа, создающий систему органического фотокатализа. . Эта система использует излучение видимого света для возбуждения электронов в полупроводнике n-типа, создавая электрический ток. Дырки, созданные в полупроводнике p-типа, выталкиваются в направлении так называемой части Nafion устройства, которая окисляет гидразин до газообразного азота и растворенных ионов водорода. Это было сделано в первом отсеке топливного элемента. Ионы водорода перемещаются через солевой мостик в другой отсек, где электроны, полученные в результате взаимодействия со светом из первого отсека, восстанавливают его до газообразного водорода. Таким образом создается водород, который можно использовать в топливных элементах. Эти многообещающие исследования показывают, что гидразин — это солнечное топливо, которое может стать очень полезным при переходе к энергетике .
Другой подход к гидразину — это топливные элементы прямого действия. Концепции этих ячеек разрабатывались с 1960-х годов. Недавние исследования обеспечивают гораздо лучшие топливные элементы с прямым гидразином, например, с использованием перекиси водорода в качестве окислителя. Если сделать анод основным, а катод — кислотным, плотность мощности значительно увеличится, показывая высокие пики около 1 Вт / см 2 при температуре 80 градусов Цельсия. Как упоминалось ранее, основным недостатком топливных элементов с прямым гидразином является высокая токсичность гидразина и его производных. Однако водный гидразин, который представляет собой водоподобную жидкость, сохраняет высокую плотность водорода и может безопасно храниться и транспортироваться с использованием существующей топливной инфраструктуры. Исследователи также стремятся создать топливные элементы с автономным питанием, в которых используется гидразин. Эти топливные элементы используют гидразин двумя способами, а именно в качестве топлива для топливного элемента прямого действия и в качестве мишени для расщепления. Это означает, что для производства водорода с помощью этого топливного элемента нужен только гидразин, поэтому никакой внешней энергии не требуется. Это делается с использованием нанолистов сульфида кобальта, легированного железом. Легирование железом снижает изменения свободной энергии при адсорбции водорода и дегидрировании гидразина . Этот метод имеет 20-часовую стабильность и 98% -ный КПД по Фарадею , что сопоставимо с лучшими заявленными утверждениями об элементах, генерирующих водород с автономным питанием.
Источник